放射性物质储存容器辐射状态在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及核辐射监测技术领域，特别是一种放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统及方法。

背景技术

随着核技术的发展，核辐射安全逐渐成为人们终点关注的领域。在工业生产中，各类放射性物质在存储和运输过程中都应受到严格监控。一旦发生放射性物质泄漏，会对自然环境和人身安全造成严重影响，因此，对放射性物质在存储容器中的状态进行在线监测是非常有必要的，以便于在放射性物质泄漏的第一时间进行处置，从而将核泄漏事故对环境和人的影响降至最低。

上述在线监测过程存在以下困难之处：1、由于放射性物质存储容器通常是集中储存和转运，数量往往较多，现有的检测手段大多是对集中放置区域进行统一检测，未见针对每个存储容器进行单独监测的设备，一旦发生泄漏事故无法快速定位到发生泄漏的目标容器。2、不同的存储容器中，放射性物质的活度(分为高、中、低三种活度等级)和种类并不完全相同，针对不同活度和不同种类的放射性物质需要设置相匹配的探测器，这就对探测器的设计提出了较高的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统及方法，它用于对放射性物质存储容器的状态进行在线监测，以便于在放射性物质泄漏的第一时间进行处置，从而将核泄漏事故对环境和人的影响降至最低。

本发明的技术方案是：放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统，包括探测器、FPGA芯片、通讯模块、服务器和用户终端；

探测器固定安装于目标存储容器的外壁上，其用于输出包含辐射响应信号的像素矩阵及目标存储容器的位置信息；

FPGA芯片与探测器通信连接，其用于将探测器输出的像素矩阵表征为放射性物质的辐射剂量率；

通讯模块分别与探测器和FPGA芯片通信连接，用于向外输出辐射剂量率数据及目标存储容器的位置信息；

服务器与通讯模块通信连接，其一方面用于存储并显示实时的辐射剂量率数据及探测器位置数据，另一方面用于调控FPGA芯片的运行参数，再一方面用于向外发送实时的辐射剂量率数据；

用户终端包括PC机和/或智能手机，用户终端与服务器之间通过互联网通信连接，其用于查看实时的辐射剂量率数据。

本发明进一步的技术方案是：探测器包括有源像素传感器和遮光膜；有源像素传感器的外表面上设置有受光面；遮光膜覆盖安装在有源像素传感器的受光面上，其用于避免可见光进入有源像素传感器的受光面。

本发明进一步的技术方案是：探测器包括有源像素传感器、伽马闪烁晶体和遮光膜；有源像素传感器的外表面上设置有受光面；伽马闪烁晶体通过光导材料粘接在有源像素传感器的受光面上，其用于将γ射线转化为光信号；遮光膜包绕在有源像素传感器与伽马闪烁晶体的交界处，其用于避免可见光进入有源像素传感器的受光面。

本发明进一步的技术方案是：探测器包括有源像素传感器、中子闪烁晶体和遮光膜；有源像素传感器的外表面上设置有受光面；中子闪烁晶体通过光导材料粘接在有源像素传感器的受光面上，其用于将中子辐射转化为光信号；遮光膜包绕在有源像素传感器与中子闪烁晶体的交界处，其用于避免可见光进入有源像素传感器的受光面。

本发明再进一步的技术方案是：其还包括定位模块，定位模块固定安装在探测器上，并与通讯模块通信连接，其用于获取探测器的位置信息，定位模块为GPS定位模块或北斗导航定位模块。

本发明的技术方案是：放射性物质存储容器辐射状态在线监测方法，基于上述的放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统；以下分为三种情况来展开说明监测方法；

情况1：探测表面的γ射线剂量率大于1mGy/h；

S01，采集像素矩阵：

a、将探测器固定安装于存储容器的外表面上，以检测存储容器外部的辐射情况；所述探测器包括有源像素传感器和遮光膜；有源像素传感器获取光信号并输出包含辐射响应信号的像素矩阵；遮光膜用于避免可见光进入有源像素传感器，以排除可见光对有源相素传感器采集到的辐射响应信号的干扰；

b、有源像素传感器获取的像素矩阵以每秒25帧的速度传输至FPGA芯片，FPGA芯片将首10秒连续帧像素矩阵记为第1组数据，每隔10秒往后迭代；

S02，将像素矩阵进行矩阵二极化处理：

a、检测有源像素传感器的本底噪声，得到本底噪声阈值Th

b、当数字信号量I

c、计算每组数据共250个像素矩阵的矩阵数据统计值之和，标记为X

S03，基于高剂量辐射场表征算法求解辐射剂量率：

a、一方面通过检测设备检测探测器周边的辐射剂量率，再一方面获取检测时段所对应的矩阵数据统计值之和X

b、基于高剂量辐射场表征算法，在已知刻度曲线和矩阵数据统计值之和X

S04，判断存储容器是否发生核泄漏：

a、每一组数据对应的辐射剂量率通过通讯模块发送至服务器，服务器取连续100组数据计算判定基准值，其中，辐射剂量率的最低值为Z

b、服务器通过不停的迭代各组数据，记录存储容器的辐射状态，并将当前组数据对应的辐射剂量率与判定基准值Z进行对比，判断是否发生核泄漏；判断规则为：当前组数据的辐射剂量率数值超出判定基准值Z的10％，即判断为发生核泄漏；当前组数据的辐射剂量率数值小于或等于判定基准值Z的10％，即判断未发生核泄漏。

情况2：探测表面的γ射线剂量率小于1mGy/h；

S01，采集像素矩阵：

a、将探测器固定安装于存储容器的外表面上，以检测存储容器外部的辐射情况；所述探测器包括有源像素传感器、伽马闪烁晶体和遮光膜；伽马闪烁晶体用于将γ射线转化为光信号，有源像素传感器获取所述光信号并输出包含辐射响应信号的像素矩阵；遮光膜用于避免可见光进入有源像素传感，以排除可见光对有源相素传感器采集到的辐射响应信号的干扰；

b、有源像素传感器获取的像素矩阵以每秒25帧的速度传输至FPGA芯片，FPGA芯片将首10秒连续帧像素矩阵记为第1组数据，每隔10秒往后迭代；

S02，将像素矩阵进行数据分段处理：

a、有源像素传感器输出的像素矩阵包含了0～255阶灰度的像素，但仅在Th

b、当数字信号量I

S03，基于高剂量辐射场表征算法求解辐射剂量率：

a、一方面通过检测设备检测探测器周边的辐射剂量率，再一方面获取检测时段所对应的灰度值数据统计值之和S

b、基于低剂量辐射场表征算法，在已知刻度曲线和灰度值数据统计值之和S

S04，判断存储容器是否发生核泄漏：

a、每一组数据对应的辐射剂量率通过通讯模块发送至服务器，服务器取连续100组数据计算判定基准值，其中，辐射剂量率的最低值为Z

b、服务器通过不停的迭代各组数据，记录存储容器的辐射状态，并将当前组数据对应的辐射剂量率与判定基准值Z进行对比，判断是否发生核泄漏；判断规则为：当前组数据的辐射剂量率数值超出判定基准值Z的10％，即判断为发生核泄漏；当前组数据的辐射剂量率数值小于或等于判定基准值Z的10％，即判断未发生核泄漏；

情况3：探测表面的辐射种类为中子辐射：

S01，采集像素矩阵：

a、将探测器固定安装于存储容器的外表面上，以检测存储容器外部的辐射情况；所述探测器包括有源像素传感器、中子闪烁晶体和遮光膜；中子闪烁晶体用于将中子辐射转化为光信号；有源像素传感器获取所述光信号并输出包含辐射响应信号的像素矩阵；遮光膜用于避免可见光进入有源像素传感，以排除可见光对有源相素传感器采集到的辐射响应信号的干扰；

b、有源像素传感器获取的像素矩阵以每秒25帧的速度传输至FPGA芯片，FPGA芯片将首10秒连续帧像素矩阵记为第1组数据，每隔10秒往后迭代；

S02，将像素矩阵进行数据分段处理：

a、有源像素传感器输出的像素矩阵包含了0～255阶灰度的像素，但仅在Th

b、当数字信号量I

S03，基于中子辐射场表征算法求解辐射剂量率：

a、一方面通过检测设备检测探测器周边的辐射剂量率，再一方面获取检测时段所对应的灰度值数据统计值之和S

b、基于中子辐射场表征算法，在已知刻度曲线和灰度值数据统计值之和S

S04，判断存储容器是否发生核泄漏：

a、每一组数据对应的辐射剂量率通过通讯模块发送至服务器，服务器取连续100组数据计算判定基准值，其中，辐射剂量率的最低值为Z

b、服务器通过不停的迭代各组数据，记录存储容器的辐射状态，并将当前组数据对应的辐射剂量率与判定基准值Z进行对比，判断是否发生核泄漏；判断规则为：当前组数据的辐射剂量率数值超出判定基准值Z的10％，即判断为发生核泄漏；当前组数据的辐射剂量率数值小于或等于判定基准值Z的10％，即判断未发生核泄漏。

本发明进一步的技术方案是：在上述三种情况的S01步骤中，所述的辐射响应信号为电离粒子在有源像素传感器内部发生电离产生的电荷被有源像素传感器内部的电荷收集区域收集后所产生的输出信号。

本发明再进一步的技术方案是：在上述三种情况的S02步骤中，数字信号量指的是像素矩阵中每个像素的灰度值。

本发明更进一步的技术方案是：在上述三种情况的S04步骤中，若服务器判断发生核泄漏，则立即向辐射终端发送包含具体辐射剂量率的警报信息及对应存储容器的位置信息。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、其采用了无伤检测的方式对放射性物质存储容器的状态进行在线监测，并可在核泄漏发生的第一时间通过用户终端告知用户，以便于在放射性物质泄漏的第一时间进行处置，从而将核泄漏事故对环境和人的影响降至最低。

2、一方面，探测器包含的有源像素传感器具有大量的独立像素单元，积分时间短，采样率高，能够实现快速精确探测；另一方面，针对存储容器内存放的不同活度和种类的放射性物质，针对性的设计了相匹配的探测器，从而拓宽了探测范围。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明中的各部件的通信连接关系示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统，包括探测器1、FPGA芯片2、通讯模块3、服务器4和用户终端5。

探测器1固定安装于目标存储容器的外壁上，其用于输出包含辐射响应信号的像素矩阵及目标存储容器的位置信息。

FPGA芯片2与探测器1通信连接，其用于将探测器1输出的像素矩阵表征为放射性物质的辐射剂量率。

通讯模块3分别与探测器1和FPGA芯片2通信连接，用于向外输出辐射剂量率数据及目标存储容器的位置信息。

服务器4通过路由器或交换机与通讯模块3通信连接，其一方面用于存储并显示实时的辐射剂量率数据及探测器1位置数据，另一方面用于调控FPGA芯片2的运行参数，再一方面用于向外发送实时的辐射剂量率数据。

用户终端5包括PC机和/或智能手机，用户终端5与服务器4之间通过互联网通信连接，其用于查看实时的辐射剂量率数据。

优选，其还包括定位模块6，定位模块6固定安装在探测器1上，并与通讯模块3通信连接，其用于获取探测器1的位置信息，定位模块为GPS定位模块或北斗导航定位模块。

本实施例中，探测器1包括有源像素传感器和遮光膜。有源像素传感器的外表面上设置有受光面。遮光膜覆盖安装在有源像素传感器的受光面上，其用于避免可见光进入有源像素传感器的受光面。

实施例2：

本实施例与实施例1相比，区别仅在于：探测器1包括有源像素传感器、伽马闪烁晶体和遮光膜。有源像素传感器的外表面上设置有受光面。伽马闪烁晶体通过光导材料粘接在有源像素传感器的受光面上，其用于将γ射线转化为可被有源像素传感器感应到的光信号。遮光膜包绕设置在有源像素传感器与伽马闪烁晶体的交界处，其用于避免可见光照射进入有源像素传感器的受光面。

实施例3：

本实施例与实施例1相比，区别仅在于：探测器包括有源像素传感器、中子闪烁晶体和遮光膜。有源像素传感器的外表面上设置有受光面。中子闪烁晶体通过光导材料粘接在有源像素传感器的受光面上，其用于将中子辐射转化为可被有源像素传感器检测到的光信号。遮光膜包绕设置在有源像素传感器与中子闪烁晶体的交界处，其用于避免可见光照射进入有源像素传感器的受光面。

简述实施例1的工作原理：

在实施例1中，放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统，适用于探测表面的γ射线剂量率大于1mGy/h的情况。

在线监测方法如下：

S01，采集像素矩阵：

a、将探测器固定安装于存储容器的外表面上，以检测存储容器外部的辐射情况；所述探测器包括有源像素传感器和遮光膜；有源像素传感器获取光信号并输出包含辐射响应信号的像素矩阵；遮光膜用于避免可见光进入有源像素传感器，以排除可见光对有源相素传感器采集到的辐射响应信号的干扰；

b、有源像素传感器获取的像素矩阵以每秒25帧的速度传输至FPGA芯片，FPGA芯片将首10秒连续帧像素矩阵记为第1组数据，每隔10秒往后迭代。

本步骤中，所述的辐射响应信号为电离粒子在有源像素传感器内部发生电离产生的电荷被有源像素传感器内部的电荷收集区域收集后所产生的输出信号。

S02，将像素矩阵进行矩阵二极化处理：

a、检测有源像素传感器的本底噪声，得到本底噪声阈值Th

b、当数字信号量I

c、计算每组数据共250个像素矩阵的矩阵数据统计值之和，标记为X

本步骤中，数字信号量指的是像素矩阵中每个像素的灰度值。

S03，基于高剂量辐射场表征算法求解辐射剂量率：

a、一方面通过检测设备检测探测器周边的辐射剂量率，再一方面获取检测时段所对应的矩阵数据统计值之和X

b、基于高剂量辐射场表征算法，在已知刻度曲线和矩阵数据统计值之和X

S04，判断存储容器是否发生核泄漏：

a、每一组数据对应的辐射剂量率通过通讯模块发送至服务器，服务器取连续100组数据计算判定基准值，其中，辐射剂量率的最低值为Z

b、服务器通过不停的迭代各组数据，记录存储容器的辐射状态，并将当前组数据对应的辐射剂量率与判定基准值Z进行对比，判断是否发生核泄漏；判断规则为：当前组数据的辐射剂量率数值超出判定基准值Z的10％，即判断为发生核泄漏；当前组数据的辐射剂量率数值小于或等于判定基准值Z的10％，即判断未发生核泄漏。

简述实施例2的工作原理：

在实施例2中，放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统，适用于探测表面的γ射线剂量率小于1mGy/h的情况。

在线监测方法如下：

S01，采集像素矩阵：

a、将探测器固定安装于存储容器的外表面上，以检测存储容器外部的辐射情况；所述探测器包括有源像素传感器、伽马闪烁晶体和遮光膜；伽马闪烁晶体用于将γ射线转化为光信号，有源像素传感器获取所述光信号并输出包含辐射响应信号的像素矩阵；遮光膜用于避免可见光进入有源像素传感，以排除可见光对有源相素传感器采集到的辐射响应信号的干扰；

b、有源像素传感器获取的像素矩阵以每秒25帧的速度传输至FPGA芯片，FPGA芯片将首10秒连续帧像素矩阵记为第1组数据，每隔10秒往后迭代。

S02，将像素矩阵进行数据分段处理：

a、有源像素传感器输出的像素矩阵包含了0～255阶灰度的像素，但仅在Th

b、当数字信号量I

S03，基于高剂量辐射场表征算法求解辐射剂量率：

a、一方面通过检测设备检测探测器周边的辐射剂量率，再一方面获取检测时段所对应的灰度值数据统计值之和S

b、基于低剂量辐射场表征算法，在已知刻度曲线和灰度值数据统计值之和S

S04，判断存储容器是否发生核泄漏：

a、每一组数据对应的辐射剂量率通过通讯模块发送至服务器，服务器取连续100组数据计算判定基准值，其中，辐射剂量率的最低值为Z

b、服务器通过不停的迭代各组数据，记录存储容器的辐射状态，并将当前组数据对应的辐射剂量率与判定基准值Z进行对比，判断是否发生核泄漏；判断规则为：当前组数据的辐射剂量率数值超出判定基准值Z的10％，即判断为发生核泄漏；当前组数据的辐射剂量率数值小于或等于判定基准值Z的10％，即判断未发生核泄漏。

简述实施例3的工作原理：

在实施例3中，放射性物质存储容器辐射状态在线监测系统，适用于探测表面的辐射种类为中子辐射的情况。

S01，采集像素矩阵：

b、将探测器固定安装于存储容器的外表面上，以检测存储容器外部的辐射情况；所述探测器包括有源像素传感器、中子闪烁晶体和遮光膜；中子闪烁晶体用于将中子辐射转化为光信号；有源像素传感器获取所述光信号并输出包含辐射响应信号的像素矩阵；遮光膜用于避免可见光进入有源像素传感，以排除可见光对有源相素传感器采集到的辐射响应信号的干扰；

b、有源像素传感器获取的像素矩阵以每秒25帧的速度传输至FPGA芯片，FPGA芯片将首10秒连续帧像素矩阵记为第1组数据，每隔10秒往后迭代。

S02，将像素矩阵进行数据分段处理：

a、有源像素传感器输出的像素矩阵包含了0～255阶灰度的像素，但仅在Th

b、当数字信号量I

S03，基于中子辐射场表征算法求解辐射剂量率：

a、一方面通过检测设备检测探测器周边的辐射剂量率，再一方面获取检测时段所对应的灰度值数据统计值之和S

b、基于中子辐射场表征算法，在已知刻度曲线和灰度值数据统计值之和S

S04，判断存储容器是否发生核泄漏：

a、每一组数据对应的辐射剂量率通过通讯模块发送至服务器，服务器取连续100组数据计算判定基准值，其中，辐射剂量率的最低值为Z

b、服务器通过不停的迭代各组数据，记录存储容器的辐射状态，并将当前组数据对应的辐射剂量率与判定基准值Z进行对比，判断是否发生核泄漏；判断规则为：当前组数据的辐射剂量率数值超出判定基准值Z的10％，即判断为发生核泄漏；当前组数据的辐射剂量率数值小于或等于判定基准值Z的10％，即判断未发生核泄漏。

本步骤中，若服务器判断发生核泄漏，则立即向辐射终端发送包含具体辐射剂量率的警报信息及对应存储容器的位置信息。